Deine Farbe sieht gut aus! Gibt es unter den Fischen wirklich „Chamäleons“?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Wu Yu (Institut für Zoologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Bevor der Artikel offiziell beginnt, werfen wir einen Blick auf eine Reihe von Bildern:

Abbildung 1 Langstacheliger Haarlippen-Lippfisch

(Bildquelle: Referenz [1])

Schauen Sie genau hin, um wie viele Fischarten handelt es sich?

3 Arten? Nein, es ist 1 Art.

Der Ozean ist eine riesige Schatzkammer und Heimat unzähliger Lebewesen, vom winzigen Plankton bis hin zu riesigen Blauwalen, die alle die allumfassende Natur des Ozeans widerspiegeln.

Im westlichen Nordatlantik gibt es einen Fisch namens Langstacheliger Haarlippen-Lippfisch . Es handelt sich um den größten und wirtschaftlich wertvollsten Lippfisch in diesem Gebiet. Zu seinen bemerkenswerten Merkmalen zählen Hermaphroditismus und eine ungeschlechtliche Fortpflanzungsstrategie. Die Hautfarbe des Fisches ändert sich unter bestimmten Umständen schnell, wie bei einem Chamäleon, und kann zwischen mindestens drei Farbtönen variieren: gleichmäßig weiß, gleichmäßig rotbraun und gesprenkelt.

Das Bild, das wir oben sehen, zeigt den Zustand des Langstacheligen Haarlippen-Lippfischs in verschiedenen Farben.

Warum ändert der Langstachel-Haarlippen-Lippfisch seine Farbe?

Denn er verfügt über spezielle Hautzellen, sogenannte „Chromatophoren“, die in der Lage sind, dynamische Farbwechsel zu bewirken .

Schauen wir uns zunächst die Struktur seiner Haut an. Die oberste Schicht bilden die Epithelzellen, gefolgt von den Pigmentzellen, die in schwarze Pigmentzellen, rote Pigmentzellen und gelbe Pigmentzellen unterteilt werden. Diese drei Arten von Pigmentzellen sind horizontal in einer dünnen Schicht Hautgewebe auf den Schuppen des Fisches angeordnet.

Abbildung 2 Das Hautstrukturmuster des Langstacheligen Haarlippen-Lippfischs

(Bildquelle: Referenz [1])

Das „schöne“ Erscheinungsbild der hellweißen, dunkelroten und gesprenkelten Farben (siehe Abbildung 1) wird durch die Aggregation und Dispersion von Pigmenten aus verschiedenen Pigmentzellen erreicht . Bei Chromatophoren wird die Farbe durch eine intrazelluläre Reorganisation von Pigmentkörnchen, Kristallen oder reflektierenden Plättchen verändert. Das einfallende Licht trifft entweder auf das darunterliegende (meist weiße) Gewebe oder auf das freiliegende Pigment und verleiht der Haut dadurch ein helles bzw. farbiges Aussehen.

Einige Wissenschaftler haben spezielle Beobachtungen durchgeführt und festgestellt, dass der Langstachel-Haarlippen-Lippfisch, wenn er in einem Wassertank schwimmt, hellweiß erscheint, sich jedoch im Ruhezustand sofort in eine gesprenkelte Farbe verwandelt. Die blassweiße Färbung verändert sich teilweise deutlich, während die gesamte Vorderseite des Kopfes ein leuchtendes Rotbraun annimmt und der Schwanz mehr oder weniger blau wird. Darüber hinaus führt jede störende Stimulation in seinem hellweißen Zustand sofort zu einer Veränderung seines fleckigen Aussehens.

Das magische Opsin der Hautphotorezeptoren

Wie also erkennt der Langstachel-Haarlippen-Lippfisch Veränderungen im Umgebungslicht?

Werfen wir zunächst einen Blick auf die Photorezeptoren der Haut. Dabei handelt es sich um Strukturen in der Haut, die Lichtreize wahrnehmen und in neuronale Prozesse umwandeln können. Bei Wirbeltieren können kutane Photorezeptoren mehrere Opsintypen enthalten und Lichtsignale energieabhängig übertragen. Forscher haben gezeigt, dass sowohl „nicht-visuelle“ Opsine (wie Melanopsin) als auch „visuelle“ Opsine (wie RH1 und SWS1) an der Aktivierung von Pigmentzellen bei Wirbeltieren beteiligt sind , wobei die Rolle des SWS1-Opsins (kurzwellenlängensensitives Opsin-1) besonders deutlich ist.

Um den genauen Ort von SWS1 in den Hautzellen des Langstacheligen Haarlippen-Lippfischs zu finden, führten Wissenschaftler zwei Experimente durch, um Folgendes zu erforschen:

Die Wissenschaftler verwendeten zunächst eine spezielle Methode, um SWS1 dazu zu bringen, grün zu fluoreszieren, und beobachteten es dann unter einem Mikroskop (was man als Aufnahme eines Bildes der Zelle verstehen kann, mit dem Unterschied, dass das Bild fluoreszierend ist, siehe Abbildung 3). Es wurde festgestellt, dass sich SWS1 unter dem Pigment von Chromatophoren befindet, nicht in einer durchgehenden Hautschicht, sondern an diskreten Stellen unter einzelnen, durchgehenden Pigmentzellen.

Abbildung 3: Weiße Pfeile stellen rote Pigmentzellen dar, schwarze ausgefüllte Pfeile stellen Melanozyten dar und grüne Fluoreszenz stellt Opsin SWS1 dar

(Bildquelle: Referenz [1])

Da mit der oben beschriebenen Methode nur die ungefähre Verteilung in der Haut erkennbar ist, lässt sich die genaue Position innerhalb der Zellen nicht bestimmen. Daher führten die Forscher ein detaillierteres Experiment durch (was daran liegt, dass die Auflösung beim Aufnehmen von Zellbildern verbessert wird und die innere Struktur der Zelle deutlicher zu erkennen ist) und fanden das SWS1-Protein in der retikulären Membranstruktur dieser Zellen.

Abbildung 4 Schwarze Pfeile mit weißen Kanten zeigen auf Melanozyten, und schwarze Pfeile an der retikulären Membranstruktur zeigen auf positiv immunreaktive SWS1-Proteine

(Bildquelle: Referenz [1])

Welcher Zusammenhang besteht also zwischen der Aggregation und Dispersion von Pigmentzellpigmenten und dem Sehprotein SWS1?

Wie aus den vorherigen Abbildungen 2, 3 und 4 ersichtlich ist, existiert das visuelle Protein SWS1 in einer morphologisch spezialisierten Zellgruppe unterhalb der Pigmentzellen. Gibt es also eine Beziehung zwischen Pigmentzellen und dem Sehprotein SWS1? Um welche Art von Beziehung handelt es sich?

Durch Forschung fanden die Forscher heraus, dass Licht in der Umgebung Pigmentzellen durchdringen muss, bevor es das visuelle Protein SWS1 in der Haut erreicht. In den Pigmentzellen wird das Pigment unter dem Einfluss der äußeren Umgebung bis zu einem gewissen Grad verteilt und aggregiert. Die Dispersion des Pigments verhindert die Exposition gegenüber der Art von Licht, die das SWS1-Opsin benötigt, während die Aggregation des Pigments die Exposition gegenüber der Art von Licht erhöht, die das SWS1-Opsin benötigt. Dieser Prozess koppelt das SWS1-Opsin eng an Veränderungen im Zustand der Pigmentzellen und ermöglicht ihm so, interne Informationen über die Hautfarbe zu überwachen und so Farbveränderungen fein abzustimmen.

Abbildung 5. Verteilte Chromatophorpigmente hemmen die kurzwellige Strahlung des SWS1-Rezeptors (links), während aggregierte Pigmente die kurzwellige Strahlung des SWS1-Rezeptors (und damit die mutmaßliche Opsinaktivierung) zulassen (rechts).

(Bildquelle: Referenz [1])

Tiere, die ihre Farbe ändern

In der Natur gibt es viele Tierarten, die dynamisch ihre Farbe ändern können, darunter Kopffüßer, Amphibien, Reptilien, Fische und andere warmblütige Tiere wie Tintenfische und Chamäleons.

Abbildung 6 Tintenfisch

(Fotoquelle: veer)

Abbildung 7 Chamäleon

(Fotoquelle: veer)

Was morphologische Farbänderungen betrifft, manifestiert es sich in dynamischen physiologischen Farbänderungen, die Tage bis Monate dauern, und diese Änderung kann in wenigen Minuten oder weniger erfolgen (der Langstachel-Haarlippen-Lippfisch benötigt für eine Farbänderung nur 1 Sekunde oder sogar weniger). Diese Geschwindigkeitsunterschiede beruhen auf Unterschieden in den Regulierungsmechanismen, wobei die schnellsten Formen der Farbveränderung auf eine primäre Steuerung durch Neuronen und nicht durch Hormone zurückzuführen sind.

Der dynamische Farbwechsel ist ein schnelles, variables und kontextabhängiges Verhalten, das bei verschiedenen Tieren viele gemeinsame physiologische Merkmale aufweist.

Erstens verwenden beide hierfür spezielle Hautzellen, sogenannte Pigmentzellen. Es gibt mehrere Haupttypen von Chromatophoren, die ihre Farbe durch intrazelluläre Reorganisation von Pigmentkörnchen, Kristallen oder reflektierenden Plättchen ändern.

Zweitens die angeborene Lichtempfindlichkeit ihrer Haut und wie diese mit ihrer Fähigkeit zur Farbänderung zusammenhängt. Beispielsweise repräsentiert das oben erwähnte Sehprotein SWS1 die Lichtempfindlichkeit.

Die Farbe einiger Tiere ändert sich mit Veränderungen der Lichtverhältnisse, der Temperatur und der Lebensumgebung. Manchmal werden Farbänderungen vorgenommen, um die Aufmerksamkeit des anderen Geschlechts zu erregen oder den Feind zu erschrecken. Manchmal sind Farbveränderungen auf die Manifestation von Emotionen oder Geisteszuständen wie Angst und Wut auf der Körperoberfläche zurückzuführen. Durch Farbwechsel kann man sich besser tarnen, den Feind verwirren und die Nahrungssuche erleichtern. Durch Farbwechsel kann man sich verstecken, natürlichen Feinden aus dem Weg gehen und sich schützen.

Kurz gesagt ist der Farbwechsel für Tiere eine Möglichkeit, sich an die Natur anzupassen, und in diesem kleinen Verhalten steckt große Weisheit. Wie Lao Tzu im Tao Te King sagte: „Das Tao folgt der Natur.“ Für Tiere, die ihre Farbe ändern können, ist „Tao“ das Naturgesetz.

Quellen:

[1]Schweikert, LE, Bagge, LE, Naughton, LF, Bolin, JR, Wheeler, BR, Grace, MS, ... & Johnsen, S. (2023). Dynamische Lichtfilterung über dermales Opsin als sensorisches Rückkopplungssystem beim Farbwechsel von Fischen. Nature Communications, 14(1), 4642.

[2]Townsend, CH (1929). Aufzeichnungen über Farbveränderungen bei Fischen.

[3]FUJII*, RYOZO (2000). Die Regulierung der Bewegungsaktivität in Fischchromatophoren. Pigmentzellforschung, 13(5), 300-319.

[4]Nilsson Sköld, H., Aspengren, S. & Wallin, M. (2013). Schnelle Farbveränderung bei Fischen und Amphibien – Funktion, Regulierung und neue Anwendungen. Pigmentzell- und Melanomforschung, 26(1), 29-38.

[5]Parker, GH (1930). Chromatophoren. Biological Reviews, 5(1), 59-90.